工程振動分析與控制基礎(chǔ) 第2版 課件 第9、10章 黏彈阻尼技術(shù)、顆粒阻尼技術(shù)

《工程振動分析與控制基礎(chǔ)》第9章黏彈阻尼技術(shù)第9章黏彈阻尼技術(shù)9.1引言9.2材料的阻尼耗能機理9.3黏彈材料9.4應(yīng)用與研究進展9.5工程應(yīng)用實例23145679.1引言

9.1引言

阻尼是振動系統(tǒng)損耗振動能量的能力,與慣性和彈性一起均屬于系統(tǒng)的固有屬性對于工程結(jié)構(gòu)來說,增加阻尼不僅可以降低結(jié)構(gòu)的共振振幅,避免結(jié)構(gòu)因動應(yīng)力達到極限而破壞,提高結(jié)構(gòu)的動態(tài)穩(wěn)定性,而且有助于減少結(jié)構(gòu)的輻射噪聲適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)阻尼是抑制工程結(jié)構(gòu)振動的一種重要手段,目前已發(fā)展成為一門專門的技術(shù),通常稱為阻尼減振技術(shù)阻尼減振技術(shù)根據(jù)增加阻尼方式的不同而多種多樣,其中尤以通過對結(jié)構(gòu)附加黏彈材料(ViscoelasticMaterial,VEM)來增加結(jié)構(gòu)阻尼的黏彈阻尼(ViscoelasticDamping,VED)技術(shù)最為常用21345679.2材料的阻尼耗能機理9.2材料的阻尼耗能機理-1一個振動著的固體,即使與外界完全隔離,它的機械能也會轉(zhuǎn)換成熱能,從而使振動在一定時間內(nèi)逐漸衰減下來,這種由于材料內(nèi)部的原因而使機械能消耗的現(xiàn)象稱為阻尼,或稱作內(nèi)耗。它是指材料在振動過程中通過其內(nèi)部因素將機械振動能量轉(zhuǎn)化為熱能而耗散于材料和環(huán)境之中,這樣在宏觀層面上就減少了材料的物理振動,從而達到阻尼的效果從耗能機理角度來說,材料阻尼通常分為動滯后阻尼和靜滯后阻尼兩類9.2材料的阻尼耗能機理-21.動滯后阻尼(滯彈性阻尼)對于理想的完全彈性體而言,其產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變之間為單值函數(shù)關(guān)系。這樣的固體在加載和卸載時,應(yīng)變總是瞬時達到其平衡值在發(fā)生振動時,應(yīng)力和應(yīng)變始終保持同相位,而且呈線性關(guān)系,稱為“彈性”,不會產(chǎn)生阻尼,如圖9-1a所示

圖9-1材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線9.2材料的阻尼耗能機理-32.靜滯后阻尼靜滯后阻尼是指材料的應(yīng)變并不滯后于應(yīng)力,但應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系不是單值函數(shù),當(dāng)去掉應(yīng)力時還保留著一個殘余變形,只有加上反向應(yīng)力時變形才會消失。在循環(huán)應(yīng)力下同樣可以得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線。靜滯后阻尼與頻率無關(guān),而與振幅有顯著的依賴關(guān)系21345679.3黏性材料9.3.1概述2.靜滯后阻尼黏彈材料是一種高分子聚合物,主要有橡膠類和塑料類,由小而簡單的化學(xué)單元(鏈節(jié))構(gòu)成長鏈分子,分子與分子之間依靠化學(xué)鍵或物理纏結(jié)相互連接起來,在三維方向上如樹枝狀地連成三維分子網(wǎng),成千上萬個分子共聚或縮緊而形成黏彈材料的阻尼屬于典型的動滯后阻尼黏彈材料的阻尼性能(阻尼損耗因子)主要受溫度和頻率的影響,頻率高到或溫度低到一定的程度時,黏彈材料呈現(xiàn)玻璃態(tài),失去阻尼性能;而在低頻或高溫時,黏彈材料呈現(xiàn)橡膠態(tài),損耗因子也很小,只有在某一溫度和頻率范圍內(nèi)損耗因子才存在峰值利用黏彈材料的高阻尼特性,將其附加在結(jié)構(gòu)體表面或作為阻尼器使用來增加結(jié)構(gòu)的內(nèi)阻尼,以降低結(jié)構(gòu)體的振動的技術(shù)稱為黏彈阻尼技術(shù)9.3.2使用方法黏彈材料主要有生膠和成品膠片兩種形式,如圖9-2所示自粘型阻尼材料時,首先要求清除結(jié)構(gòu)表面的銹蝕油跡,用一般溶劑(汽油、丙酮、工業(yè)酒精等)擦去油污。然后按粘貼面積大小,裁剪阻尼膠片,待擦拭結(jié)構(gòu)表面的溶劑揮發(fā)后,撕去自粘型阻尼膠片背面的隔離紙,即可粘貼圖9-2黏彈材料的生膠與成品膠片9.3.3附加阻尼結(jié)構(gòu)/阻尼器黏彈阻尼技術(shù)增加結(jié)構(gòu)內(nèi)阻尼的方式往往是通過附加阻尼結(jié)構(gòu)或阻尼器得以實施的,其中的附加阻尼結(jié)構(gòu)是指在需要減振的結(jié)構(gòu)體表面上直接粘附一種包含黏彈材料在內(nèi)的結(jié)構(gòu)層,而附加阻尼器則是將黏彈材料制作成一種器件附加在結(jié)構(gòu)體上1.自由層阻尼結(jié)構(gòu)2.約束層阻尼結(jié)構(gòu)3.可調(diào)諧黏彈阻尼器4.附加阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點21345679.4應(yīng)用與研究進展9.4.1直升機旋翼擺振阻尼器直升機旋翼擺振阻尼器是用來抑制旋翼的擺振運動,防止直升機產(chǎn)生“地面共振”和“空中共振”不可缺少的重要部件黏彈阻尼器具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、可靠性高等諸多優(yōu)點,是目前最為成熟的抑制直升機旋翼擺振的阻尼器之一,它利用槳葉的擺振運動帶動阻尼器中的黏彈材料發(fā)生剪切變形,從而將振動能量耗散掉,以提高飛行的穩(wěn)定性常見的直升機旋翼黏彈阻尼器如圖9-5所示,主要分為平板式、筒式和層壓式三種9.4.2車輛與飛機的阻尼減震-1汽車發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的罩板、車身壁板、列車車廂壁板以及飛機蒙皮等大都具有大面積薄壁結(jié)構(gòu)形式,采用黏彈阻尼技術(shù)對其進行處理一直是上述相關(guān)工程領(lǐng)域重要的減振技術(shù)措施之一,對于降低車輛與飛機的振動與艙內(nèi)噪聲,提高乘坐舒適性具有重要的現(xiàn)實意義1.汽車黏彈阻尼技術(shù)在汽車領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用,是汽車NVH(Noise,VibrationandHarshness)技術(shù)中重要的技術(shù)手段之一目前,對車體和底板進行阻尼處理是公認的最為有效的抑制100~500Hz頻帶的結(jié)構(gòu)聲、增加空氣聲隔聲量的NVH技術(shù)措施近年來,一種新型阻尼夾層玻璃已用于汽車側(cè)、后窗中,這種三明治型夾層玻璃是采用熱壓工藝將一層聚乙烯醇縮丁醛高分子材料粘接在雙層玻璃中間,可使車輛的胎噪和風(fēng)噪明顯降低9.4.2車輛與飛機的阻尼減震-22.列車(1)列車車廂隨著列車運行速度的提高,乘坐舒適性越來越受到重視,作為車輛NVH技術(shù)的重要手段之一,黏彈阻尼技術(shù)也廣泛應(yīng)用于列車車廂的振動與噪聲控制領(lǐng)域(2)列車車輪采用黏彈阻尼技術(shù)的阻尼車輪是目前抑制列車輪軌噪聲的主要技術(shù)手段之一,通常采用兩種方式,一種是在車輪輪輞內(nèi)外兩側(cè)嵌入鋼制阻尼環(huán),如圖9-11所示圖9-11帶有鋼制阻尼環(huán)的列車車輪9.4.2車輛與飛機的阻尼減震-33.商用飛機降低艙內(nèi)噪聲的方法很多,其中尤以采用黏彈阻尼技術(shù)對機身蒙皮進行阻尼處理的方法最為常用。由于質(zhì)量限制,阻尼處理方案需要經(jīng)過認真設(shè)計,以保證阻尼最優(yōu)而質(zhì)量最小,因而約束層材料最好采用復(fù)合材料人們設(shè)計了一種阻隔層阻尼(Stand-OffLayerDamping)結(jié)構(gòu),如圖9-15所示,其作用相當(dāng)于一種運動放大器,可顯著增加黏彈材料層的剪切變形,從而極大地提高結(jié)構(gòu)的阻尼性能,同時制成溝槽形式,有利于降低彎曲剛度和附加質(zhì)量圖9-15阻隔層阻尼結(jié)構(gòu)9.4.3主動約束層阻尼技術(shù)-1隨著振動主動控制技術(shù)的發(fā)展,一種新穎的主動約束層阻尼(ActiveConstrainedLayerDamping,ACLD)技術(shù)應(yīng)運而生,它是傳統(tǒng)的被動約束層阻尼技術(shù)與主動控制技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)物,通過將前者的被動約束層改用機敏材料(如壓電材料)制成的主動約束層代替并配置以一套控制系統(tǒng)來實現(xiàn)主動約束層阻尼結(jié)構(gòu)的減振機理是:當(dāng)結(jié)構(gòu)體(基本彈性層)產(chǎn)生振動時,黏彈材料層發(fā)生剪切變形而消耗振動能量,與此同時,傳感器拾取結(jié)構(gòu)體的振動信號,并通過控制系統(tǒng)驅(qū)動主動約束層使其發(fā)生變形,從而加劇黏彈材料層的剪切變形,增強振動的耗散能力,進而對結(jié)構(gòu)體的振動實現(xiàn)控制由于壓電材料頻響范圍寬、響應(yīng)速度快、質(zhì)量小、價格低、結(jié)構(gòu)簡單,且能夠?qū)崿F(xiàn)電能和機械能的相互轉(zhuǎn)化,已成為主動約束層阻尼結(jié)構(gòu)中最常用的主動約束層材料9.4.3主動約束層阻尼技術(shù)-2主動約束層阻尼結(jié)構(gòu)的布局主要有兩種,如圖9-21所示主動約束層阻尼結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點:①當(dāng)對主動壓電約束層施加一定的電壓時,就可以增加黏彈材料的剪切變形,從而增加其振動耗散能力;②振動控制頻帶更寬;③增加了振動控制系統(tǒng)的魯棒性,主動控制失效時,主動約束層阻尼結(jié)構(gòu)就退化為傳統(tǒng)的被動約束層阻尼(PCLD)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)仍具有一定的振動控制效果圖9-21主動約束層阻尼結(jié)構(gòu)布局9.4.4阻尼合金-1阻尼合金屬于材料減振的范疇,可以從根本上抑制設(shè)備本體的振動,特別適用于工作在復(fù)雜動力工況或惡劣環(huán)境下的設(shè)備或結(jié)構(gòu)的減振阻尼合金(DampingAlloy)是一類阻尼大、能使振動迅速衰減的新型金屬功能材料,能夠明顯地減輕各種應(yīng)變載荷引起的振動及噪聲圖9-22主動約束層阻尼技術(shù)應(yīng)用于懸臂梁的振動控制9.4.4阻尼合金-21.分類阻尼合金按其阻尼機理可分為復(fù)相型、鐵磁型、位錯型和孿晶型4類(1)復(fù)相型復(fù)相型合金是在強韌的基體上分布著軟的第二相,通過相界面的塑性流動或第二相的塑性變形吸收振動能并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?屬于滯彈性阻尼(2)鐵磁型鐵磁型合金是由于外力和磁致伸縮效應(yīng)的相互作用產(chǎn)生的磁性-力學(xué)滯后效應(yīng)而消耗振動能量的,屬于靜滯后阻尼(3)位錯型位錯型合金晶體組織中存在析出相或雜質(zhì)原子,對位錯有釘扎作用,在外力作用下位錯線做不可逆的往復(fù)運動,因而產(chǎn)生阻尼作用,屬于靜滯后阻尼(4)孿晶型孿晶型合金中一般存在熱彈性馬氏體,基體與馬氏體相界面的移動、馬氏體相亞晶界的移動或者孿晶界的移動所產(chǎn)生的損耗是該類合金產(chǎn)生阻尼的原因,屬于滯彈性阻尼9.4.4阻尼合金-32.應(yīng)用概況阻尼合金經(jīng)過多年的不斷發(fā)展,現(xiàn)已有上百種新型阻尼合金問世,并投入實際應(yīng)用,其中尤以孿晶型Mn-Cu系合金最具有代表性目前阻尼合金已被用于很多工程領(lǐng)域,在航天航空領(lǐng)域,用于制造飛船、衛(wèi)星、火箭、飛機的控制盤和陀螺儀等精密儀器;在船舶工程領(lǐng)域,用于制造螺旋槳和發(fā)動機等部件;在車輛工程領(lǐng)域,用于制造車輪、車體、制動器、發(fā)動機變速器、減振輪轂等;在土木建筑工程領(lǐng)域,用于制造大型建筑物、橋梁、鑿巖機等;在機械工程領(lǐng)域,用于制造機床、風(fēng)機葉片、圓盤鋸、各種齒輪等21345679.5工程應(yīng)用實例9.5.1

16m立式車床的振動控制16m立式車床是一種重型機床,其立柱用22mm厚的鋼板焊接,高度為13m,是板厚的600倍左右。由于鋼材阻尼只有鑄鐵的1/3,因此該立柱結(jié)構(gòu)抗振性能較差。為此,采用黏彈阻尼技術(shù)來增加立柱的結(jié)構(gòu)阻尼,從而改善機床的抗振性能立柱-橫梁模型采用局部約束阻尼處理,處理位置如圖9-25所示:立柱僅在1/3高度內(nèi)的外表面,橫梁在靠近固定端1/2長度內(nèi)的外表面。阻尼層為厚度1mm的ZN05型阻尼材料,約束層采用1.2mm厚鋼板。試驗結(jié)果表明這種阻尼處理是有效的圖9-25

16m立式車床的立柱-橫梁模型9.5.2飛機發(fā)動機葉片的振動控制約束阻尼層由鋁箔和黏彈性阻尼層(采用3M粘合劑)交替包覆葉片組成。為了使粘結(jié)牢靠,采用了真空袋加壓和熱壓罐固化等工藝。處理中,鋁箔有兩種厚度,一種厚0.05mm,另一種厚0.127mm,阻尼層厚0.05mm。葉片及其阻尼處理形式如圖9-26所示實踐表明這種阻尼處理可以很好地解決該發(fā)動機進口導(dǎo)流葉片的疲勞開裂問題,經(jīng)阻尼處理后葉片的動應(yīng)力峰值顯著降低,使用壽命大為延長(>1200h)。原先用于進口導(dǎo)流葉片修補和更換的費用每年約需150萬美元,采用阻尼處理后可節(jié)省120萬美元圖9-26某航空發(fā)動機進口導(dǎo)流葉片阻尼處理形式9.5.3機床床身搖擺振動控制機床床身的低頻搖擺振動(RockingVibration)直接影響機床的加工質(zhì)量,一直是機床設(shè)計與制造領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵問題圖9-28中阻尼器的材料采用聚異丁烯基熱塑性彈性體,這種材料抑制剪切應(yīng)力的效果非常顯著,常用于抑制地震時家具的翻轉(zhuǎn)運動,因此用這種材料制作的黏彈阻尼器對于抑制機床床身的水平往復(fù)搖擺振動是十分有效的圖9-28機床床身改進型支撐結(jié)構(gòu)示意圖謝謝?！豆こ陶駝臃治雠c控制基礎(chǔ)》第10章顆粒阻尼技術(shù)第10

章顆粒阻尼技術(shù)10.1引言10.2沖擊阻尼技術(shù)10.3顆粒阻尼技術(shù)10.4應(yīng)用與研究進展10.5工程應(yīng)用實例231456710.1引言

10.1引言為了解決在極端惡劣條件下(高溫、極寒、高壓、油污以及酸堿腐蝕等惡劣環(huán)境)工作的結(jié)構(gòu)寬頻振動控制問題,研究和發(fā)展新型被動減振技術(shù)就變得十分必要和迫切顆粒阻尼以優(yōu)良的減振效果以及結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于實施、適用于惡劣環(huán)境等一系列優(yōu)點,在工程實際中得到了廣泛應(yīng)用,并取得了良好的效果為了便于更好地理解和掌握顆粒阻尼技術(shù),本章將首先對沖擊阻尼技術(shù)進行概述,然后重點對顆粒阻尼技術(shù)的分類及其減振機理與特性、應(yīng)用與研究進展進行詳細的介紹,并給出工程應(yīng)用實例213456710.2沖擊阻尼技術(shù)10.2沖擊阻尼技術(shù)-1沖擊阻尼技術(shù)是利用兩物體進行非彈性碰撞后經(jīng)過動量交換而耗散能量的它是通過在結(jié)構(gòu)體(主系統(tǒng))內(nèi)部空腔放置一個起沖擊作用的沖擊體(剛性質(zhì)量塊或球體顆粒),或者在結(jié)構(gòu)體表面附加一個帶有沖擊體的腔體[即沖擊阻尼器(ImpactDamper),又稱加速度阻尼器]來實現(xiàn)的當(dāng)結(jié)構(gòu)體振動時,沖擊體將進行沖擊運動,與結(jié)構(gòu)體反復(fù)碰撞將其振動能量耗散,達到減振的目的圖10-1單體沖擊阻尼器動力學(xué)模型10.2沖擊阻尼技術(shù)-2一般而言,為提高沖擊阻尼器的減振效果,在設(shè)計時應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則:1)要實現(xiàn)沖擊減振,首先要使沖擊體對結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)周期性沖擊運動,因此合理選擇沖擊體與結(jié)構(gòu)體腔體之間的運動間隙是關(guān)鍵,同時希望沖擊體和結(jié)構(gòu)體都以最大運動速度進行碰撞,以獲得有力的碰撞條件,造成最大的能量損失2)沖擊體質(zhì)量越大,碰撞時消耗的能量就越大。因此,在結(jié)構(gòu)空間尺寸允許的前提下,選用盡可能大質(zhì)量比的沖擊體。若空間尺寸受限制,沖擊體的材料可選用密度大的材料(如鉛、鎢等),以增加沖擊質(zhì)量3)沖擊體一般安裝在結(jié)構(gòu)體振動幅值最大的位置,以提高減振效果213456710.3顆粒阻尼技術(shù)10.3.1概述沖擊阻尼的局限性：①沖擊體與結(jié)構(gòu)體之間碰撞而引發(fā)的沖擊阻尼效應(yīng)較弱,耗散振動能量的能力不高;②寬頻和多模態(tài)耦合狀態(tài)下的減振效果不好;③減振的同時由于沖擊作用而產(chǎn)生較高的沖擊噪聲以及較大的接觸應(yīng)力顆粒阻尼技術(shù)是在傳統(tǒng)的沖擊阻尼技術(shù)上發(fā)展起來的一項新型阻尼減振技術(shù),是一種廣義沖擊阻尼技術(shù)技術(shù)用大量顆粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沖擊體,阻尼效應(yīng)不僅包含顆粒與結(jié)構(gòu)體之間的碰撞與摩擦效應(yīng),還包含顆粒之間的碰撞與摩擦效應(yīng),阻尼耗能能力顯著增強,因此顆粒阻尼可以認為是傳統(tǒng)沖擊阻尼和摩擦阻尼效應(yīng)的疊加顆粒阻尼技術(shù)的實施也主要分為兩種:①顆粒阻尼器②非阻塞性顆粒阻尼10.3.2顆粒阻尼器-1

1.傳統(tǒng)顆粒阻尼器動態(tài)載荷環(huán)境下的非黏性顆粒群具有良好的動態(tài)和波傳播性能,可以用于制作被動阻尼減振裝置與傳統(tǒng)沖擊阻尼器相比,其結(jié)構(gòu)特點是將原來的單顆粒沖擊體用眾多微小顆粒代替,這樣的顆粒群所呈現(xiàn)的阻尼性能以及減振降噪能力是單顆粒無法比擬的圖10-4顆粒材料:鉛粒(左)和鎢粉(右)圖10-5傳統(tǒng)顆粒阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖10.3.2顆粒阻尼器-22.豆包阻尼器豆包阻尼器的包袋材料采用了具有良好恢復(fù)性能的皮革或人造革等,因此在沖擊碰撞時,包袋層首先與固連在結(jié)構(gòu)體上的阻尼器殼體接觸,起到了一種緩沖作用由于柔性約束的效應(yīng),帶動包袋內(nèi)的金屬顆粒先后不一地參與碰撞接觸,不但大大延長了總體接觸時間,而且起到了一種使沖擊力大大減小的非線性緩沖作用由于包袋層的柔性約束作用,加劇了顆粒間的相互碰撞和摩擦作用,消耗了更多的能量,從而使豆包阻尼器表現(xiàn)出良好的減振效果圖10-6豆包阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖10.3.3非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)-1非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)是在結(jié)構(gòu)體的振動劇烈部位或振動傳輸路徑上加工一定數(shù)量的孔洞,其中填充適當(dāng)數(shù)量的、直徑介于0.05~5mm之間的金屬或非金屬顆粒,使之在孔中處于非阻塞狀態(tài)(見圖10-7)。隨著結(jié)構(gòu)體的振動,顆粒相互之間以及顆粒與結(jié)構(gòu)體之間不斷地碰撞和摩擦,以此消耗結(jié)構(gòu)體的振動能量,達到減振或隔振的目的圖10-7非阻塞性顆粒阻尼結(jié)構(gòu)示意圖10.3.3非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)-2非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)是在結(jié)構(gòu)體的振動劇烈部位或振動傳輸路徑上加工非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)的優(yōu)點是①基本上不增加結(jié)構(gòu)體的總體質(zhì)量,有利于輕量化;②無須改變結(jié)構(gòu)部件的總體外形設(shè)計;③阻尼效果十分顯著;阻尼特性基本不受環(huán)境條件的影響,性能穩(wěn)定,不老化;⑤具有良好的減振、隔振和抗沖擊綜合特性,減振頻帶寬,其中尤以中、高頻減振效果更為突出,在有效減振頻帶內(nèi)幾乎對系統(tǒng)所有的共振模態(tài)都有減振作用,而且較小的質(zhì)量比就能取得很好的減振效果;⑥顆粒的密度以及顆粒間的摩擦系數(shù)越大,減振效果越好10.3.3非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)-3一般而言,為提高非阻塞性顆粒阻尼的減振效果,在設(shè)計時應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則:1)應(yīng)用非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)時,必定要在原結(jié)構(gòu)體上鉆孔,對原結(jié)構(gòu)強度或多或少地產(chǎn)生一定的影響2)非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)的施加位置很重要3)孔徑的大小也影響減振效果4)顆粒材料應(yīng)盡可能選擇密度大的材料(如鉛、鎢等)5)顆粒的填充數(shù)量常用體積填充比(定義為所有顆粒占據(jù)的體積與孔腔總體積之比)和質(zhì)量填充比(定義為顆粒實際填充質(zhì)量與最大可填充質(zhì)量之比)表示10.3.4顆粒阻尼減震機理與特性顆粒阻尼的減振機理是由于結(jié)構(gòu)體與其內(nèi)部填充的顆粒之間存在耦合運動,導(dǎo)致顆粒之間以及顆粒與結(jié)構(gòu)體之間做相對碰撞與摩擦運動,從而消耗結(jié)構(gòu)體的振動能量顆粒阻尼的能量耗散主要分為兩大類:①外部耗散:通過顆粒與腔體或孔壁之間不斷地摩擦和沖擊作用將能量耗散掉;②內(nèi)部耗散:通過顆粒之間的相互摩擦與沖擊將能量耗散掉圖10-8顆粒阻尼的能量耗散分布213456710.4應(yīng)用與研究進展10.4.1航天工程領(lǐng)域-1如圖10-11所示。顆粒阻尼器(顆粒材料為鉛粒,阻尼器質(zhì)量填充比為15%~20%)在安裝梁的端部,地面模擬試驗結(jié)果顯示經(jīng)顆粒阻尼技術(shù)處理后的上述兩種附件結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼提高了5%~20%。圖10-11帶有顆粒阻尼器的航天器懸臂梁狀附件結(jié)構(gòu)示意圖10.4.1航天工程領(lǐng)域-2圖10-14所示為某航天器使用的電子線路箱,為降低沖擊和聲載荷激勵的影響,采用前面已開發(fā)的顆粒可調(diào)諧質(zhì)量阻尼器進行處理,效果顯著,共振頻率處的品質(zhì)因子可降低10圖10-14某電子線路箱(左)和顆?？烧{(diào)諧質(zhì)量阻尼器布局(右)10.4.2其他工程領(lǐng)域除了上述航天工程領(lǐng)域外,顆粒阻尼技術(shù)還成功用于裝甲車輛、管道系統(tǒng)、雷達采樣架立柱、金融捆鈔機、深海石油和天然氣鉆鋌、IC封裝設(shè)備、船用壓縮機組以及高層建筑等設(shè)備或結(jié)構(gòu)的振動控制中。顆粒阻尼技術(shù)還可與前面介紹的隔振技術(shù)或動力吸振技術(shù)等有機地結(jié)合,可以得到更好的振動控制效果圖10-22智利ParqueAraucano高層建筑以及動力吸振器系統(tǒng)10.4.3理論分析方法-11.集中質(zhì)量法該方法的思想是將連續(xù)體結(jié)構(gòu)(如懸臂梁)等效為一個簡單的單自由度系統(tǒng)(按首階模態(tài)進行等效),把填充的顆粒等效為一個同質(zhì)量的單顆粒,如圖10-23所示集中質(zhì)量法的優(yōu)點是模型簡單,易于計算,但該方法僅對顆粒整體與腔體之間的非彈性碰撞產(chǎn)生的沖擊阻尼效應(yīng)進行了精確的表達,而對顆粒之間碰撞和摩擦耗能、顆粒與腔體之間的摩擦耗能僅通過試驗擬合得到的經(jīng)驗公式進行近似描述圖10-23集中質(zhì)量法模型示意圖10.4.3理論分析方法-22.散體元法散體元法(DEM)是解決非連續(xù)介質(zhì)問題的一種顯式求解數(shù)值方法，該方法是對每一個離散的顆粒進行建模,根據(jù)牛頓第二定律和接觸關(guān)系來描述顆粒的運動,通過時步迭代求解,跟蹤顆粒的運動軌跡,主要用于采礦、冶金、巖土工程、顆粒運輸、生物制藥、石油化工等領(lǐng)域散體元法仿真需要對每一個顆粒進行建模計算,當(dāng)顆粒數(shù)目較大時,需要花費大量的計算資源和計算時間,計算成本比較高散體元法的研究對象多為簡單的單自由度系統(tǒng),或能夠等效為單自由度系統(tǒng)的簡單連續(xù)體結(jié)構(gòu)(如懸臂梁等),而無法完成復(fù)雜顆粒阻尼連續(xù)體結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)的仿真計算10.4.3理論分析方法-33.氣固兩相流理論氣固兩相流,顧名思義就是由氣體相和固體相組成的兩相混合流,廣泛存在于自然界和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中目前氣固兩相流理論已成功引入振動工程領(lǐng)域的顆粒阻尼技術(shù)理論分析與響應(yīng)預(yù)估中目前通過多物理場耦合軟件COMSOL進行聯(lián)合仿真技術(shù),可以實現(xiàn)從簡單梁、板結(jié)構(gòu)到復(fù)雜的箱體類結(jié)構(gòu)以及工程實際結(jié)構(gòu)振動乃至聲輻射響